Điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP

Điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP Bùi Thị Kim Hoa Trường Đại học Quốc gia Hà Nội; Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Thế Cường Năm bảo vệ: 2012

Điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP Bùi Thị Kim Hoa Trường Đại học Quốc gia Hà Nội; Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Thế Cường Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Tổng quan về điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP. Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP. Trình bày các phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP. Phân tích các phương pháp điều khiển tắc nghẽn và ứng dụng. Keywords: Kỹ thuật điện tử; Mạng truyền thông; Mạng NGN; Tắc nghẽn mạng Content. Mở đầu Khái niệm mạng thế hệ sau (NGN - Next Generation Network) hiện không còn mới mẻ trên thế giới như một vài năm trước đây. Xu hướng phát triển của viễn thông là tiến tới hội tụ về mạng, hội tụ về dịch vụ, ứng dụng. Tài nguyên của mạng có giới hạn trong khi nhu cầu truyền thông tin ngày càng tăng. Hiện tượng tắc nghẽn mạng là khó tránh khỏi. Để giải quyết vấn đề này có hai cách đó là: Tăng tài nguyên của mạng và điều khiển để chống tắc nghẽn mạng. Việc tăng tài nguyên mạng chi phí đầu tư lớn và không thể thường xuyên được. Trong khi đó, việc điều khiển chống tắc nghẽn mạng sử dụng các giao thức, các thuật toán để điều khiển chống tắc nghẽn mạng. Tuy nhiên, vấn đề điều khiển chông tắc nghẽn mạng rất phức tạp nhất là khi mạng ngày càng phát triển rộng lớn, dịch vụ gia tăng nhanh, các dịch vụ mới ngày càng nhiều, số lượng người sử dụng tăng lên nhanh chóng kèm theo vấn đề lưu lượng tăng vọt và biến đổi động. Vì vậy, vấn đề điều khiển chống tắc nghẽn ngày càng trở nên cấp thiết. Đề tài “Điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP” tập trung nghiên cứu các vấn đề về mạng NGN toàn IP, các vấn đề về điều khiển tắc nghẽn và hệ thống các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn cũng như khả năng ứng dụng của những phương pháp này trong mạng NGN toàn IP. Cấu trúc của luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP. Chương 2: Nguyên lý điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP. Chương 4: Phân tích các phương pháp điều khiển tắc nghẽn và ứng dụng. CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP 1.1. Cơ sở kỹ thuật mạng IP Mạng IP được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn toàn cầu của IETF. Do đó, thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau có thể dễ dàng tương hoạt. Hiện nay, nếu nói tới tiêu chuẩn truyền thông phổ biến nhất thì đó chính là giao thức IP. 1.1.1. Bộ giao thức TCP/IP TCP/IP là bộ giao thức được phát triển bởi Cục các dự án nghiên cứu cấp cao (ARPA) của bộ quốc phòng Mỹ. Chồng giao thức TCP/IP được chia thành bốn tầng: giao diện mạng (network interface), liên mạng (internet), giao vận (transport) và ứng dụng (application). 1.1.2. Địa chỉ IP Địa chỉ IP là số hiệu nhận dạng được sử dụng ở tầng liên mạng của bộ giao thức TCP/IP hay IP là một địa chỉ của một trạm khi tham gia vào mạng nhằm giúp cho các trạm có thể chuyển thông tin cho nhau một cách chính xác, tránh thất lạc. Đối với phiên bản IPv4, địa chỉ này là một số nhị phân 32 bít. Địa chỉ IP theo phiên bản IPv6 sử dụng 128 bit (16octet) để mã hoá dữ liệu, nó cho phép sử dụng nhiều địa chỉ hơn so với IPv4. 1.2. Mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network) 1.2.1. Sự cần thiết phải chuyển đổi sang mạng NGN Mạng PSTN dựa trên nền tảng công nghệ TDM và hệ thống báo hiệu số 7 (CCS7). Về cơ bản, mạng này vẫn có khả năng cung cấp tốt các dịch vụ viễn thông bình thường như thoại hay Fax với chất lượng khá ổn định. Song nhu cầu của bản thân nhà cung cấp dịch vụ lẫn khách hàng ngày càng tăng làm bộc lộ những hạn chế không thể khắc phục được của mạng hiện tại. Với yêu cầu về thay đổi công nghệ mạng như trên, mạng thế hệ sau NGN đã được giới thiệu và ứng dụng ở một số quốc gia. 1.2.2. Khái niệm mạng NGN Khái niệm mạng NGN được nêu trong khuyến nghị Y.2001 của ITU-T như sau: Mạng thế hệ sau (NGN) là mạng gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông và tạo ra nhiều ứng dụng băng thông rộng, các công nghệ truyền tải đảm bảo chất lượng dịch vụ và trong đó các chức năng dịch vụ độc lập với các công nghệ truyền tải liên quan phía dưới. Nó cho phép truy nhập không giới hạn tới mạng, các nhà cung cấp dịch vụ và/hoặc các dịch vụ theo ý muốn. Nó hỗ trợ tính di động cho các dịch vụ cung cấp tới người sử dụng sao cho đồng nhất và đảm bảo. 1.2.3. Đặc điểm của mạng NGN Mạng NGN có bốn đặc điểm chính: - Nền tảng là hệ thống mạng mở. - Dịch vụ phải thực hiện độc lập với mạng. - NGN là mạng chuyển mạch gói, dựa trên một bộ giao thức thống nhất. - NGN là mạng có dung lượng ngày càng tăng và tính thích ứng cao, có đủ năng lực để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng. 1.2.4. Nguyên tắc tổ chức và cấu trúc của mạng NGN Mạng thế hệ sau được tổ chức dựa trên những nguyên tắc cơ bản sau: - Đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú, đa dạng, đa dịch vụ, đa phương tiện. - Mạng có cấu trúc đơn giản. - Nâng cao hiệu quả sử dụng chất lượng mạng lưới và giảm thiểu chi phí khai thác, bảo dưỡng. - Dễ dàng mở rộng dung lượng, phát triển các dịch vụ mới. - Độ linh hoạt và tính sẵn sàng cao, năng lực tồn tại mạnh. Cấu trúc mạng NGN được đưa ra có đặc điểm chung là bao gồm các lớp chức năng sau: - Lớp kết nối (truy nhập và truyền dẫn) - Lớp trung gian hay lớp truyền thông - Lớp điều khiển - Lớp quản lý 1.2.5. Lợi ích của mạng NGN Mạng NGN cho phép triển khai các dịch vu một cách nhanh chóng và đa dạng, đáp ứng sự hội tụ giữa các thông tin thoại, truyền dữ liệu và Intemet, giữa cố định và di động với giá thành hợp lý. Ứng dụng mạng NGN cho phép giảm thiểu thời gian đưa dịch vụ mới ra thị trường; nâng cao hiệu suất sử dụng và truyền dẫn với công nghệ ghép kênh bước sóng quang DWDM chiếm lĩnh ở lớp vật lý và công nghệ IP/MPLS làm nền tảng cho lớp mạng. Mạng NGN cho phép các nhà cung cấp dịch vụ tăng cường khả năng kiểm soát, bảo mật thông tin của khách hàng. Mạng NGN là có thể được phát triển bởi các nhà khai thác mới không yêu cầu có sẵn cơ sở hạ tầng hay chỉ cần nâng cấp, mở rộng trên cấu trúc mạng sẵn có. 1.2.6. Mạng NGN toàn IP Trung tâm của mạng NGN toàn IP chính là sự hội tụ của 3 yếu tố: hội tụ mạng (Application Convergence), hội tụ dịch vụ (Service Convergence), hội tụ ứng dụng (Network Convergence). đồng thời cho phép cung cấp các dịch vụ tích hợp với IP là công nghệ nền tảng. Đó chính là lý do cho sự ra đời của mạng NGN toàn IP. 1.2.7. Vấn đề đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng NGN 1.2.7.1. Các tham số đánh giá chất lƣợng mạng NGN Mạng NGN là mạng hạ tầng thông tin dựa trên công nghệ chuyển mạch gói nên việc đánh giá chất lượng mạng chủ yếu dựa trên 4 tham số cơ bản là: băng thông, độ trễ gói, trượt (jitter) và tỉ lệ mất gói. 1.2.7.2. Các mô hình đảm bảo chất lƣợng dịch vụ Để triển khai QoS trong mạng viễn thông, các mô hình QoS (hay kỹ thuật QoS) khác nhau đã được đề xuất bao gồm: Mô hình Best Effort: Mô hình Best Effort là mô hình đơn và phổ biến trên các mạng IP nói chung, cho phép ứng dụng gửi dữ liệu bất cứ khi nào với bất cứ khối lượng nào nó có thể thực hiện và không đòi hỏi sự cho phép hoặc thông tin về mạng, nghĩa là mạng phân phối dữ liệu nếu nó có thể mà không cần sự đảm bảo về độ tin cậy, độ trễ hoặc khả năng thông mạng. Mô hình tích hợp dịch vụ (IntServ): Mô hình này không những đáp ứng các dịch vụ Best Effort mà còn hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực ngày càng tăng trên mạng IP. Việc đưa ra mô hình IntServ có vẻ như giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến QoS trong mạng IP. Tuy nhiên trong thực tế mô hình này đã không đảm bảo được QoS từ đầu cuối tới đầu cuối (end to end). Đã có nhiều cố gắng nhằm thay đổi điều này nhằm đạt một mức QoS cao hơn cho mạng IP, và một trong những cố gắng đó là sự ra đời của DiffServ. Mô hình phân biệt dịch vụ (DiffServ): DiffServ sử dụng việc đánh dấu gói và xếp hàng theo loại để hỗ trợ dịch vụ ưu tiên qua mạng IP. Mục tiêu phát triển của mô hình Diffserv là cung cấp cơ chế phân biệt các dịch vụ thành các lớp dịch vụ khác nhau tương ứng với yêu cầu QoS khác nhau. Diffserv chỉ phân biệt đối xử tới các lớp lưu lượng khác nhau nên không cung cấp mức QoS cụ thể. Ưu điểm của mô hình DiffServ so với mô hình IntServ là khả năng mở rộng mạng cao và phục vụ đa dịch vụ, phù hợp với môi trường mạng NGN. 1.3. Các vấn đề về tắc nghẽn mạng 1.3.1. Tắc nghẽn là gì? Tắc nghẽn là một hiện tượng rất quen thuộc trên mạng, mà nguyên nhân nói chung là do tài nguyên mạng giới hạn trong khi nhu cầu truyền thông tin của con người là không có giới hạn. 1.3.2. Nguyên nhân gây ra tắc nghẽn Nguyên nhân chính là do bản chất tự nhiên của dữ liệu người dùng đưa vào mạng. Khi mạng không kịp ứng phó với sự gia tăng đột ngột của lưu lượng tắc nghẽn sẽ xảy ra. Tốc độ xử lý chậm, cấu hình bộ định tuyến kém cũng là một nguyên nhân quan trọng gây nên tắc nghẽn, bởi vì chúng có thể sẽ làm hàng đợi bị tràn ngay cả khi lưu lượng gói số liệu đến nút mạng nhỏ hơn năng lực vận tải của đường truyền đi ra. 1.3.3. Vấn đề tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP Gồm các nguyên nhân cơ bản sau: - Tràn bộ đệm. - Lỗi do đường truyền vô tuyến - Do nghẽn cổ chai - Nhu cầu băng thông cao của các dịch vụ đa phương tiện và các loại hình dịch vụ mới - Lưu lượng lớn, thay đổi đột biến và biến đổi động. - Tính biến động của mạng, hình trạng mạng. CHƢƠNG 2- NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP 2.1. Vấn đề điều khiển tắc nghẽn nói chung Điều khiển tắc nghẽn liên quan đến kỹ thuật và cơ chế để có thể ngăn ngừa tắc nghẽn trước khi xảy ra hoặc loại bỏ tắc nghẽn sau khi xảy ra. Mục tiêu của cơ chế điều khiển tắc nghẽn chỉ đơn giản là để sử dụng mạng một cách hiệu quả nhất có thể. 2.2. Nguyên lý điều khiển tắc nghẽn - Nguyên lý chung để điều khiển tắc nghẽn là: - Duy trì điểm hoạt động của mạng luôn ở mức lưu lượng đưa vào nhỏ. - Đảm bảo các bộ đệm của bộ định tuyến không bị tràn. - Đảm bảo phía gửi dữ liệu nhanh mà phía nhận vẫn có thể xử lý, giúp sử dụng tài nguyên mạng một cách hiệu quả nhất. 2.3. Phân loại các phƣơng pháp điều khiển tắc nghẽn 2.3.1. Phân loại theo lý thuyết điều khiển Theo quan điểm của lý thuyết điều khiển, các hệ thống điều khiển có thể được chia thành 2 loại: Điều khiển mạch vòng hở (Open loop control) và điều khiển mạch vòng đóng (Close loop control). 2.3.1.1. Điều khiển chống tắc nghẽn vòng hở Trường hợp này sử dụng các thiết kế tốt để cố gắng ngăn chặn tắc nghẽn xảy ra. Để không xảy ra tắc nghẽn, các hệ thống đầu cuối cần phải đàm phán với mạng để lưu lượng đưa vào mạng không được lớn hơn khả năng xử lý của mạng, tránh xảy ra tắc nghẽn. 2.3.1.2. Điều khiển chống tắc nghẽn vòng đóng Điều khiển chống tắc nghẽn vòng đóng được thực hiện dựa trên cơ sở thông tin phản hồi (feedback-based). Trong trường hợp này, các thiết bị đầu cuối cần nhận được thông tin phản hồi từ mạng về tình trạng tắc nghẽn hiện tại. Khi đó, hệ thống đầu cuối sẽ phản ứng với các dấu hiệu tắc nghẽn bằng cách hạn chế lượng tải đưa vào mạng, phù hợp với dung lượng hiện có của mạng để giảm bớt tình trạng tắc nghẽn. Điều khiển tắc nghẽn vòng đóng bao gồm điều khiển phản hồi ẩn và điều khiển phản hồi rõ. 2.3.2. Điều khiển tắc nghẽn trên cơ sở cửa sổ hay tốc độ Điều khiển dựa trên tốc độ: điều khiển một cách trực tiếp tốc độ truyền tại phía gửi (nguồn gửi tin). Người nhận hoặc thiết bị định tuyến thông báo cho người gửi thông tin phản hồi để điều chỉnh tốc độ gửi dữ liệu không vượt quá tốc độ cho phép. Điều khiển dựa trên kích thước cửa sổ: điều khiển gián tiếp tốc độ truyền thông qua việc thay đổi kích thước cửa sổ. Người gửi thực hiện gửi số lượng nhất định các gói tin hoặc byte được phép trước khi có thông tin phản hồi mới đến. Phía nhận sẽ nhận và đếm các gói tin đến và thông báo cho người gửi biết rằng được phép tăng kích thước cửa sổ lên một số lượng nhất định. 2.4. Các tiêu chí đánh giá phƣơng pháp điều khiển chống tắc nghẽn Những tiêu chí cơ bản nhất dùng cho phân tích, đánh giá các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn bao gồm: 2.4.1. Tính hiệu quả (Efficient) Tính hiệu quả được định nghĩa là tỉ số giữa tổng tài nguyên phân phối cho các ứng dụng và tổng tài nguyên mong muốn tại điểm gãy knee của mạng, nghĩa là trước thời điểm mạng xảy ra bão hòa. 2.4.2. Tính bình đẳng (Fairness) Khi nhiều người sử dụng chia sẻ tài nguyên, tất cả người sử dụng trong cùng một lớp dịch vụ phải có chia sẻ như nhau về tài nguyên. Chỉ số này chỉ biểu diễn tính bình đẳng giữa các người sử dụng mạng nói chung mà chưa thể hiện được bản chất đa dịch vụ trong mạng thế hệ mới. 2.4.3. Tính hội tụ (Convergence) Sự hội tụ được đánh giá bởi thời gian cần để hệ thống đạt đến trạng thái mong muốn từ một trạng thái xuất phát bất kỳ. Một cách lý tưởng, hệ thống đạt tới trạng thái đích nhanh và có biên độ dao động rất nhỏ xung quanh nó.Thời gian để đạt được trạng thái cân bằng xác định độ nhạy và độ mịn của phương pháp điều khiển. 2.4.4. Tính phân tán (Distributedness) Đây là điều cần thiết bởi vì một mô hình tập trung đòi hỏi thông tin đầy đủ về trạng thái của mạng cũng như các luồng riêng lẻ, và điều này là không thể không có đối với mạng cỡ lớn.